痕量铱掺杂氢氧化镍激活碱性析氢反应：高效稳定产氢新策略

针对碱性介质中氢氧化镍(Ni(OH)2)析氢反应(HER)活性不足的问题，研究者通过痕量铱(Ir)掺杂构建NiIr(OH)2-EO催化剂，实现26 mV@10 mA cm-2的超低过电位，结合电化学氧化稳定化技术解决Ir溶解难题，为碱性电解水制氢提供了兼具高活性与耐久性的新型催化剂体系。

　　

在碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，而电解水制氢技术的核心瓶颈在于阴极析氢反应(HER)的高过电位。碱性电解槽虽具成本优势，但其HER动力学缓慢程度是酸性的2-3个数量级。传统镍基催化剂如氢氧化镍(Ni(OH)₂)虽能高效解离水分子，但因氢吸附能(H* binding energy)不匹配导致质子耦合电子转移(PCET)步骤受阻。如何协同优化水解离与氢吸附这两个关键步骤，成为突破碱性HER催化剂设计的关键科学问题。

北京理工大学的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地提出"痕量贵金属掺杂+结构稳定化"双策略。通过水热法将原子级分散的铱(Ir)引入Ni(OH)₂基质构建NiIr(OH)₂，再经电化学氧化处理形成边缘插层结构的NiIr(OH)₂-EO，实现了碱性HER过电位26 mV@10 mA cm^-2和69 mV@100 mA cm^-2的突破性性能，Ir质量活性达商业Pt/C的25倍，并展现出>100小时的运行稳定性。

关键技术方法包括：1) 水热腐蚀法制备Ir掺杂Ni(OH)₂纳米片；2) 电化学氧化诱导边缘结构重构；3) 同步辐射X射线吸收谱(XAS)解析Ir配位环境；4) 密度泛函理论(DFT)计算氢吸附自由能(ΔG_H*)；5) 电化学阻抗谱(EIS)测定活化能。

【Preparation and structural characterizations】
通过Ni泡沫在IrCl₃溶液中的水热腐蚀，实现Ir³⁺与Ni²⁺共沉淀形成α-Ni(OH)₂相。球差电镜(HAADF-STEM)证实Ir以单原子形式分散，X射线光电子能谱(XPS)显示Ir 4f_7/2结合能向高场偏移0.8 eV，表明电子从Ir转移至Ni基质。

【Electrochemical performance evaluation】
在1 M KOH中，原始NiIr(OH)₂虽展现低至32 mV@10 mA cm^-2的过电位，但12小时后活性衰减40%。电化学氧化处理后，NiIr(OH)₂-EO的Tafel斜率从45降至32 mV dec^-1，电化学活性面积(ECSA)提升3倍，且100小时恒流测试后Ir溶解量<5%。

【Mechanistic investigations】
DFT计算揭示：Ni(OH)₂(001)面水解离能垒仅0.32 eV，而邻近Ir位点的ΔG_H*接近热中性值(-0.08 eV)。原位拉曼光谱观察到Ni-O-Ir振动模在-0.2 V vs. RHE时增强，证实Heyrovsky步骤(Volmer-Heyrovsky机制)的加速。电化学活化能测试显示NiIr(OH)₂-EO的E_a为15.2 kJ mol^-1，显著低于Pt/C(22.4 kJ mol^-1)。

【Practical applications】
组装的光伏驱动电解槽在1.52 V电压下实现10 mA cm^-2的产氢速率，尿素辅助电解使理论分解电压降低0.37 V。这种"贵金属痕量化+基质功能化"的设计理念，为开发非铂族碱性HER催化剂提供了新思路。

该研究通过多尺度调控实现了催化剂"水解离-氢吸附"功能的精准协同，不仅创制了性能超越商业Pt/C的催化剂，更从热力学(ΔG_H*优化)和动力学(E_a降低)双重角度深化了对碱性HER机理的认识。其提出的电化学氧化稳定化策略，对解决单原子催化剂在强还原环境中的稳定性难题具有普适意义，为推动可再生能源制氢技术产业化提供了重要技术路径。